互动科普

没有敲击，物体自己振动起来的一种现象

没有人触动，物体自己便振动起来。为什么会出现这种现象呢？

音叉是在受到敲击时所发出的声音总是具有固定音高的一种定音器。现在将3只相同的音叉放在桌面上，用小锤敲击其中的一只音叉，使它发出声音。其余两只音叉，有一只的一支分叉上缠有一块不大的重物。这时，只有没有缠重物的那只音叉会跟着发出声音。

没有缠重物的音叉为什么会跟着振动发出声音呢？这是因为它受到了被敲击的那只音叉所发出的声音的振动的影响。一个物体受到传来的振动的影响，出现了剧烈的与之相一致的振动的现象叫做“共鸣”。不限于声音，这其实是任何一种波都具有的一种现象，因而也称为“共振”。

我们的周围物体并不是只要有声音传来就会振动。这是因为，产生共振必须要满足一定的“条件”。物体具有取决于它的大小、形状和重量（质量）仅在某一个特定频率最容易产生振动的性质。这个特定频率叫做这个物体的“固有频率”。一个物体只有在传来的振动的频率与它的固有频率一致时才会产生共振。缠有重物的音叉，其固有频率已经略有变化，因而不会产生共振。

固有频率与传来的振动正好一致，这种巧合总是会有的，因而共振现象并不稀罕。一旦出现共振现象，甚至连桥梁和高楼也会由于出现剧烈晃动而坍塌。

1940年，美国的塔科马海峡大桥突然自行摇晃起来，摇晃幅度越来越大，最后终于坍塌。后来查明原因，是大风吹动大桥摇晃，风吹刮的节奏凑巧与大桥的固有频率一致，摇晃过于剧烈，导致大桥坍塌。

同样是波的光也能够引起各种各样的物体共振。例如收音机和电视机，就是从来到周围各种电波中选定某一种确定频率的电波与之发生共振，以此来提高接收的灵敏度。不过，这里所说的共振，并不是所接收的电波频率与天线装置本身的固有频率一致，而是与天线中电子的振动频率一致。这种共振能够增强天线中的电流，从而只拾取特定的电波，接收选定频道的广播声或电视图像。

图1. 上下作大幅度晃动的塔科马海峡大桥

共振有可能破坏大桥。水上吹刮的风引起大桥摇晃，如果风吹刮的节奏凑巧与大桥的固有频率一致，引起大桥剧烈共振，就有可能破坏大桥。

从我们周围的物体到高层建筑物，全都有自己的“固有频率”，有可能发生共振。引起共振的振动可以是来自声音、“地震波”，还可以是来自风的吹刮等。

提琴的“音色”由声波的形状决定

提琴和钢琴，两者即使奏出的是音高一样的声音，我们听起来也会明显地感觉到是两种声音，各自具有不同的特点。不同声音各自具有的这种特点就是“音色”。音色是由什么决定的呢？

我们这里来比较一下音叉发出的声波和提琴发出的声波的不同形状。仔细观看这两种声波的形状，立即可以看出两者都以相同的间隔重复着一个形状相同的部分。这表明两种声音具有同样的音高。

同时我们还看到，提琴声波的波形要比音叉声波的波形复杂得多。实际上，正是提琴声波的这种独特的波形决定了我们所听到的提琴声音的独特音色。提琴和钢琴具有不同的音色是由于两者发出的声波的波形不同。

于是我们知道，声音的“音色”同声音的“大小”（响度）和“音高”一样，也是由声波的波形决定的。我们人类的听觉能够分辨声波的各种各样复杂的波形，因而能够听出声音的不同音色。

太阳光也是各种各样波长的光叠加在一起的结果。让太阳光通过用玻璃制成的三棱镜，叠加在一起的各种光便被分解开来，形成一条七色带。这种色带叫做“光谱”，上面按照波长大小的顺序排列着具有不同颜色的光。三棱镜分解得到的这七种颜色同我们在彩虹中看到的七种颜色是一样的。我们同时看到混合在一起的这些光，我们的视觉感觉到的就是“白光”。

正是由于太阳光中包含有颜色不同的各种光，我们才能感受到周围物体的不同颜色。例如苹果为红色，是因为太阳光包含的七种色光照射在苹果上，只有其中的红色光被反射到我们的眼睛。

图2. 我们的听觉为什么能够区分出音高相同的不同声音？

这里图解绘出了音叉声音的波形和提琴声音的波形。从基本波形看，两者的波长（频率）相同，这表明它们是音高相同的声音。但是，画在下侧的提琴声音的波形是由许多频率更高的声波叠加在一起的结果（复合波）。正是这种复杂的波形决定了提琴声音的独特音色。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）